ENERGETYKA PROSUMENCKA MOŻLIWOŚCI I KORZYŚCI DLA ODBIORCY KOŃCOWEGO

Instytut im. E. Kwiatkowskiego

Warszawa 2013

2

SPIS TREŚCI Spis treści ...................................................................................................................................3 Podstawa i zakres opracowania ...............................................................................................4 1.

Przegląd europejskiego rynku mikroinstalacji w podstawowych podsektorach .........6

1.1.

Przydomowe instalacje wiatrowe i słoneczne .........................................................6

1.2.

Instalacje kogeneracyjne na biomasę ....................................................................13

1.3.

Mikroinstalacje na gaz ...........................................................................................17

1.4.

Energia z gruntowych pomp ciepła .......................................................................20

1.5.

Inne mikroinstalacje ...............................................................................................21

1.6.

Magazynowanie energii ..........................................................................................24

2.

Uwarunkowania prawno-regulacyjne ...........................................................................27

2.1.

Stan prawny.............................................................................................................27

2.2.

Wsparcie dedykowane dla rozwiązań prosumenckich ........................................29

2.3.

Mechanizmy wsparcia w krajach Unii Europejskiej...........................................33

3.

Korzyści z energetyki prosumenckiej ............................................................................35

3.1.

Energetyka prosumencka i sieci inteligentne .......................................................35

3.2.

Korzyści dla prosumenta ........................................................................................36

3.3.

Korzyści dla gospodarki narodowej ......................................................................40

3.4.

Korzyści dla środowiska i klimatu ........................................................................46

3

PODSTAWA I ZAKRES OPRACOWANIA Raport powstał w Instytucie im. E. Kwiatkowskiego, działającym przy Stowarzyszeniu na rzecz Efektywności – ETA. W raporcie wykorzystano m.in. dane z opracowania Instytutu Energetyki Odnawialnej i Związku Pracodawców Forum Energetyki Odnawialnej pt. „Mapa drogowa małych odnawialnych źródeł energii w kontekście rozwoju energetyki prosumenckiej w Polsce do 2020 roku”. Raport obejmuje syntetyczne przedstawienie wybranych zagadnień związanych z odnawialnymi źródłami energii (OZE), a w szczególności mikroźródłami, w kontekście możliwości rozwoju energetyki prosumenckiej w Polsce. Kluczowe

dla

Polski

technologie

energetyki

prosumenckiej,

opartej

na

wykorzystaniu lokalnych, odnawialnych zasobów energii, określone są w „Krajowym planie działań w zakresie energii ze źródeł odnawialnych” (mikroinstalacje do produkcji energii elektrycznej i ciepła) oraz w projekcie ustawy o OZE (mikroinstalacje do produkcji energii elektrycznej) . Są to następujące mikroinstalacje: •

małe elektrownie wodne,

•

małe elektrownie wiatrowe (mikrowiatraki),

•

mikrosystemy fotowoltaiczne,

•

mikrosystemy kogeneracyjne na biogaz i biopłyny (do zasilania agregatów

prądotwórczych z różnymi silnikami wewnętrznego spalania) •

kolektory słoneczne,

•

kotły na biomasę,

•

pompy ciepła.

Nie dla wszystkich wyżej wymienionych źródeł w Krajowym Planie Działań określone zostały cele ilościowe do 2020 roku w podziale na mikroinstalacje (do 40-50 kW) oraz małe instalacje (do 200-500 kW). Można jednak szacować, że w przypadku mikroinstalacji chodzi o minimum 2 GW mocy elektrycznej i ponad 20 GW mocy cieplnej. Większość tych źródeł, za wyjątkiem małej energetyki wodnej, ma bezpośrednie zastosowanie w budynkach, w tym w szczególności budynkach mieszkalnych. Do źródeł prosumenckich zaliczyć można także ogniwa paliwowe np. na biopłyny i wodór (także z OZE) oraz silniki Stirlinga i mikroturbiny gazowe (rozwijane od dawna nie tylko ze względu na OZE, ale głównie jako aplikacje z wykorzystaniem gazu).

4

Zasadniczym przedmiotem analiz w niniejszym opracowaniu są systemy fotowoltaiczne, mikrowiatraki oraz systemy kogeneracyjne na biopłyny, a także pompy ciepła, czyli technologie dotychczas niszowe w warunkach polskich. W opracowaniu wykorzystano m.in. wyniki przygotowanej w IEO „technologicznej mapy drogowej” mikroinstalacji OZE1, gdzie szerzej omówione są także inne technologie OZE zaliczane do energetyki prosumenckiej, w tym dotychczas najszerzej stosowane w Polsce kolektory słoneczne i automatyczne kotły na biomasę (na pelety i brykiety) oraz rola, jaką mikroinstalacje OZE mają do spełnienia w realizacji przez Polskę celów UE na 2020 rok.

1

Instytut Energetyki Odnawialnej: Krajowy plan rozwoju mikroinstalacji odnawialnych źródeł energii do 2020 roku. Warszawa, 2013 r. PDF: www.ieo.pl.

5

1.

Przegląd

europejskiego

rynku

mikroinstalacji

w

podstawowych podsektorach 1.1. Przydomowe instalacje wiatrowe i słoneczne Jednymi

z

najbardziej

rozpoznawalnych

instalacji

generujących

energię

z odnawialnych źródeł energii są elektrownie fotowoltaiczne i wiatrowe. Pomimo, że oba rodzaje instalacji zasilane są z innych źródeł energii (słońca i wiatru), mają jedną cechę wspólną – produkcja energii uzależniona jest od warunków pogodowych, a to wpływa na nieprogramowalny charakter pracy i wymusza konieczność zastosowania odpowiedniego modelu zagospodarowania energii, który zapewni optymalne jej wykorzystanie w gospodarstwie domowym. Na rysunku 1 zestawiono typowe dzienne profile produkcji energii z przydomowych elektrowni fotowoltaicznych oraz wiatrowych, na tle profilu zużycia energii w gospodarstwie domowym.

Rysunek 1. Typowe profile dziennego zużycia energii w gospodarstwie domowym wraz ze spotykanym profilem produkcji energii z elektrowni fotowoltaicznych i wiatrowych (źródło: opracowanie własne IEO).

Największe zapotrzebowanie na energię w ciągu doby w przeciętnym gospodarstwie domowym przypada na wczesne godziny poranne oraz popołudnie, co związane jest ze wzmożoną aktywnością domowników w tym czasie. Zaletą fotowoltaiki i małej energetyki wiatrowej jest to, że najwyższy wolumen produkcji energii z obydwu tych źródeł OZE z grubsza pokrywa się z profilem zapotrzebowania na energię w gospodarstwie domowym. Ta cecha minimalizuje straty na magazynowaniu energii lub przesyle nadwyżek do sieci. Jednakże w przypadku niestabilnych źródeł OZE, w celu maksymalnie optymalnego zagospodarowania energii, dąży się do opracowania taniej technologii magazynowania 6

energii, co pozwoli na pełne zrównanie profilów zużycia energii i jej produkcji przez zależne od warunków pogodowych źródła OZE. Z uwagi na sposób zagospodarowania energii elektrycznej w małych elektrowniach wiatrowych i fotowoltaicznych wyróżnia się trzy typy instalacji: •

Podłączone do sieci (tzw. on-grid) – instalacje, z których energia

przesyłana jest bezpośrednio do sieci energetycznej. Właściciel instalacji czerpie korzyści z tytułu sprzedaży energii. Obecnie ze względu na brak odpowiednich przepisów prawnych, działalność tego rodzaju jest bardzo kosztowna (konieczność uzyskania koncesji, prowadzenia działalności gospodarczej, obrót świadectwami pochodzenia wyprodukowanej energii na giełdzie energii,), a w przypadku małych instalacji nieopłacalna. Istnieje jednak szansa, iż pod koniec roku wejdzie w życie Ustawa o Odnawialnych Źródłach Energii albo inne regulacje prawne, które znacznie ułatwią procedurę i zniosą bariery. •

Nie podłączone do sieci (tzw. off-grid lub systemy wyspowe) –

instalacje działające autonomicznie zarówno w miejscach oddalonych od infrastruktury energetycznej (np. górskie schroniska, oświetlenie znaków przydrożnych i reklam), jak i tam gdzie dostęp do sieci nie jest utrudniony, lecz instalacja zasila układ wydzielony (np. podgrzewanie ciepłej wody użytkowej, oświetlenie wewnętrzne typu LED, wentylacja i dogrzewanie pomieszczeń itp.). W tych przypadkach wymagany jest magazyn energii, np. w postaci akumulatorów elektrochemicznych albo zbiornika z ciepłą wodą. Należy dodać, że koszty magazynowania energii znacznie podwyższają nakłady inwestycyjne, jak również dalszą

eksploatację

instalacji

(w

szczególności

dotyczy

to

akumulatorów

elektrochemicznych). •

Mieszane – instalacje łączące cechy systemów on- i off-grid. Moduły

fotowoltaiczne lub małe elektrownie wiatrowe wspierane są źródłem szczytowym z sieci lub agregatu prądotwórczego (np. generatora dieslowskiego bądź kotła mikrokogeneracyjnego) w okresach niedoboru wiatru lub promieniowania słonecznego. W sytuacji, gdy instalacje produkują więcej energii niż gospodarstwo może zużyć, jej nadmiar przesłany jest do sieci energetycznej (tzw. net-metering - system dwukierunkowych liczników) lub zostaje zmagazynowany (w przypadku mikroinstalacji zazwyczaj chodzi o magazynowanie dobowogodzinowe, rzadziej sezonowe). Opis technologii Elektrownie fotowoltaiczne wykorzystują energię słońca przetwarzając ją na energię

elektryczną.

Podstawowym

elementem

7

składowym

instalacji

są

moduły

fotowoltaiczne, w których następuje bezpośrednia zamiana promieniowania słonecznego na prąd elektryczny. Następnie prąd z modułów poddawany jest stabilizacji, uzyskując właściwe napięcie i natężenie dzięki zastosowaniu odpowiednich regulatorów napięcia oraz falowników, które zamieniają prąd stały modułów na prąd zmienny płynący w sieci. W skład instalacji wchodzą także akcesoria montażowe oraz elektryczne. Opcjonalnie wykorzystuje się akumulatory w celu magazynowania energii, takie rozwiązanie stosuje się w przypadku braku dostępu do sieci energetycznej lub gdy podłączenie do sieci w celu sprzedaży energii jest utrudnione lub kosztowne. Na rynku funkcjonuje obecnie kilka technologii modułów fotowoltaicznych, różniących się sprawnością przetwarzania energii słonecznej, właściwościami materiałowymi i ceną: •

Ogniwa monokrystaliczne – cechują się najwyższą sprawnością (około

16%) w przeliczeniu na 1 Wp mocy, jednak ich cena jest najwyższa spośród pozostałych technologii, •

Ogniwa polikrystaliczne – osiągają sprawność2 na poziomie około 14%.

Dzięki stosunkowo niskiej cenie stały się najpopularniejszą technologią na rynku fotowoltaicznym (ponad 63% udział na polskim rynku). •

Ogniwa amorficzne – są najtańsze, jednak ich sprawność jest najniższa

(około 8%). Niemniej jednak bardzo dobrze sprawdzają się jako integralna część fasad budynków mieszkalnych. Obecnie w Europie funkcjonuje ponad 51 GW mocy zainstalowanej w systemach fotowoltaicznych. Największymi rynkami fotowoltaiki w Unii Europejskiej są przede wszystkim Niemcy, u których zainstalowana jest prawie połowa wszystkich instalacji. Kolejnymi dużymi rynkami są odpowiednio Włochy, Hiszpania, Czechy, Francja i Belgia, posiadające od 10 GW do 1GW mocy3. W większości krajów UE budowane instalacje fotowoltaiczne zaliczyć można do grupy prosumenckich. W szczególności w Niemczech, gdzie zdecydowana większość instalacji – ponad 50% – to instalacje prosumenckie, których właścicielami są osoby prywatne, rolnicy i mali inwestorzy (rysunek 2).

2

Sprawność definiowana jest tu jako procent przekształcania energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną. 3 The State of renewable energies in Europe, 2012. 12 RaportEurObserv’ER.

8

19%

osoby fizyczne

1%

rolnicy 39%

deweloperzy

8% 3%

koroporacje energetyczne fundusze inwestycyjne

8%

przemysł inne

22%

Rysunek 2. Struktura inwestorów PV w Niemczech w 2010 r. (www.unendlich-viel-energie.de)

We wszystkich krajach, w których rozwinął się sektor fotowoltaiki, w tym w szczególności w wersji prosumenckiej, inwestorzy wspierani są poprzez system taryf gwarantowanych (tzw. feed-in-tariff - FiT) przez okres od 15 do 20 lat. Zestawienie wysokości taryf z poszczególnych krajów znajduje się na rysunku 3. Nie zależą one wprost od nasłonecznienia. Zdecydowanie bardziej zależą od tego, czy w danym kraju rozwinął się rynek danej technologii (niższe taryfy) czy też jest on jeszcze „w powijakach”.

Rysunek 3. Taryfy gwarantowane dla instalacji fotowoltaicznych w krajach Unii Europejskiej(c€/kWh) (opracowanie własne IEO)

Zróżnicowanie wysokości taryf gwarantowanych dla instalacji fotowoltaicznych wynika głównie z poziomu rozwoju rynku tej technologii w danym kraju oraz prowadzonej polityki. Niskie taryfy (np. we Włoszech lub Niemczech) wynikają z dobrze rozwiniętego rynku OZE, co poskutkowało znacznym obniżeniem kosztów inwestycyjnych. Odwrotnie wyższe taryfy wystąpią w krajach dopiero inwestujących w tę technologię. Zazwyczaj małe instalacje (prosumenckie) otrzymują wyższe taryfy, niż instalacje wielkoskalowe, które z racji małej skali mają stosunkowo wyższe nakłady inwestycyjne. Kraj

Wysokość taryf

Okres

9

wsparcia Instalacje zintegrowane z budynkiem: ≤ 10 kW: 15,63 c€/kW 10- 40 kW: 14,83 c€/kW

Niemcy

20 lat

40-1000kW: 13,23 c€/kW Instalacje wolnostojące tereny spełniające określone kryteria np. tereny poprzemysłowe do 10MW : 10,82 [c/kW] Instalacje zintegrowane z budynkiem: < 4kW: 15,44 do 13,9 p/kW(19,30 do 17,38 c€/kW)*

Wielka

4kW - 10kW: 13,99 do 12,59 p/kW (17,49 do 15,74 c€/kW)*

Brytania

10kW - 50kW: 13,03 do 11,73 p/kW (16,29 do 14,66 c€/kW)*

25 lat

50 kW - 150kW: 11,10 do 9,99 p/kW (13,88 do 12,49 c€/kW)* * - kurs EUR/GBP = 0,8

Tabela 1. Taryfy gwarantowane dla instalacji fotowoltaicznych w Niemczech i Wielkiej Brytanii w maju 2013 roku

Elektrownie wiatrowe to urządzenia, które zamieniają energię ruchu mas powietrza w energię kinetyczną ruchu obrotowego wirnika elektrowni, następnie energia z wirnika przekazywana jest do generatora, który wytwarza energię elektryczną. W ostatnim okresie rozwój elektrowni wiatrowych to pogoń za coraz większą mocą zainstalowaną, bardziej wydajnymi generatorami i większą średnicą skrzydeł. Lecz istnieje też kategoria małych elektrowni wiatrowych (MEWi), które w przeciwieństwie do wielkoskalowych elektrowni wiatrowych charakteryzują się niską mocą generatora (według norm IEA moc znamionowa nie przekracza 50kW4, a w polskiej nomenklaturze to poniżej 100 kW5) i pozyskują energię wiatru z przyziemnych warstw atmosfery (zazwyczaj wysokość masztu nie przekracza 30 m)6. W każdej MEWi można wyróżnić podstawowe elementy konstrukcyjne: •

Maszt – zapewnia wyniesienie na odpowiednią wysokość gondoli elektrowni

wraz z wirnikiem i generatorem w celu dostępu do równomiernego (czyli także niezakłóconego turbulencjami z przeszkód terenowych) przepływu mas powietrza.

4

International Standard IEC 61400-2, International Electrotechnical Commission, Geneva, Szwajcaria. Krajowy Plan Działania w zakresie rozwoju energetyki odnawialnej do 2020 roku, Ministerstwo Gospodarki, 2010. 6 Znajduje ten fakt także pewne odzwierciedlenie w Ustawie o Ochronie Przyrody z dnia 16 kwietnia 2004 r. , w której w pewnych okolicznościach uchyla się obowiązek przeprowadzenia ocen oddziaływania inwestycji na środowisko, jeśli elektrownia nie przekracza całkowitej (zatem maszt wraz z wirnikiem) wysokości 30 m. 5

10

•

Wirnik (silnik wiatrowy) – kluczowy element konstrukcyjny elektrowni

wiatrowej, ponieważ decyduje o ostatecznej wydajności MEWi. Aerodynamiczny kształt łopat wirnika, zbudowanych z żywicy poliestrowej wzmocnionej włóknem szklanym, dostosowany jest do założonych warunków wiatrowych. Na rynku dostępne są MEWi o dwóch skrajnie różnych rozwiązaniach konstrukcyjnych wirnika: •

HAWT (horizontal axis wind turbine) – wirnik o poziomej osi obrotu:

najpopularniejsze rozwiązanie konstrukcyjne z trzema łopatami, które jest także sprawdzone i bardzo wydajne (ponad 85% urządzeń na polskim rynku). •

VAWT (vertical axis wind turbine) – wirnik o pionowej osi obrotu: występuje

w wielu modyfikacjach (np. typ darrieus czy savonius), lecz nadal nie jest tak powszechny jak rozwiązanie powyżej. •

Generator – przetwarza energię mechaniczną w elektryczną. Generatory

stosowane w elektrowniach wiatrowych różnią się konstrukcyjnie od typowych prądnic. Założenia stawiane generatorom w turbinach wiatrowych to m. in. konstrukcja zapewniająca długotrwałą pracę bez wymiany i konserwacji podzespołów, praca ze zmienną prędkością wirowania, a także utrzymanie parametrów energii z sieci (w przypadku bezpośredniego podłączenia elektrowni do sieci energetycznej).

Mała energetyka wiatrowa nie jest tak silnie rozpowszechniona w Europie jak fotowoltaika i łączna moc zainstalowana jest o kilka rzędów wielkości niższa. Szacuje się, że w Europie aktualnie funkcjonuje ok. 120 MW małych elektrowni wiatrowych o przeciętnej mocy od 2 do 5 kW7. Obecnie wiodącym rynkiem małej energetyki wiatrowej jest Wielka Brytania, gdzie zainstalowano 65MW, czyli ponad połowę wszystkich małych turbin w Europie. Warto dodać, że na świecie głównymi rynkami małej energetyki wiatrowej są Chiny i Stany Zjednoczone, w których moc zainstalowana wynosi odpowiednio 225MW i 198MW. Małe elektrownie wiatrowe instalowane są przede wszystkim na obszarach wiejskich wśród inwestorów indywidualnych i rolników jako alternatywne źródło dochodu, bądź zasilania gospodarstwa domowego w energię. Drugą grupę zastosowań stanowią inwestycje związane z oświetleniem ulic, znaków drogowych i reklam przydrożnych, nie analizowane bardziej szczegółowo w niniejszym opracowaniu.

7

Small Wind World Report, 2012, WWEA.

11

Mała energetyka wiatrowa poza niszami rozwija się właściwie tylko w krajach, które zapewniają system wsparcia oparty o taryfy gwarantowane. Tabela 2 przedstawia wykaz krajów i stawek FiT dla małych elektrowni wiatrowych.

Rysunek 4. Wsparcie dla instalacji małej energetyki wiatrowej w systemie FiT(c€/kWh) Źródło: opracowanie własne IEO Kraj

Zakres mocy w kW

Długość

okresu

Wysokość taryfy w €/kWh

wsparcia w latach Portugalia